Die Entdeckung unerwarteter ultramassereicher Galaxien wird die Kosmologie vielleicht nicht umschreiben, aber hinterlässt dennoch Fragen.

13. Februar 2024

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von Emily Howard, Universität Texas in Austin

Seitdem das James Webb Space Telescope (JWST) seinen ersten Blick auf das frühe Universum geworfen hat, sind Astronomen von der Anwesenheit von scheinbar mehr "ultramassiven" Galaxien überrascht worden als erwartet. Basierend auf dem am weitesten verbreiteten kosmologischen Modell hätten sie sich erst viel später in der Geschichte des Universums entwickeln können, was zu Behauptungen führt, dass das Modell geändert werden muss.

Dies würde Jahrzehnte etablierter Wissenschaft auf den Kopf stellen.

"Die Entwicklung von Objekten im Universum erfolgt hierarchisch. Man beginnt klein und wird immer größer", sagte Julian Muñoz, Assistenzprofessor für Astronomie an der Universität Texas in Austin und Mitautor einer kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Studie, die Änderungen am kosmologischen Modell untersucht. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass eine Überarbeitung des Standard-Kosmologiemodells nicht notwendig ist. Astronomen müssen jedoch möglicherweise überdenken, wie sie die Bildung und Entwicklung der ersten Galaxien verstehen.

Die Kosmologie untersucht den Ursprung, die Entwicklung und die Struktur unseres Universums, vom Urknall bis zum heutigen Tag. Das am weitesten verbreitete Modell der Kosmologie wird als Lambda-Kalt-Dunkle-Materie-(ΛCDM)-Modell oder "Standard-Kosmologiemodell" bezeichnet. Obwohl das Modell sehr fundiert ist, bleibt vieles über das frühe Universum theoretisch, da Astronomen es in vollem Umfang oder überhaupt nicht beobachten konnten.

Der im Jahr 1990 gestartete Hubble-Weltraumteleskop war entscheidend für die Entwicklung und Verfeinerung des Standard-Kosmologiemodells. Es beobachtet das Universum im ultravioletten, sichtbaren und einigen nahen Infrarot-Wellenlängen des Lichts. Dadurch ist es besser geeignet, manche Dinge zu sehen als andere. Zum Beispiel ist Hubble gut ausgestattet, um kleinere Galaxien zu betrachten, die oft eine höhere Zahl junger, ultraviolett-emittierender Sterne und weniger Staub enthalten, der kürzere Wellenlängen tendenziell absorbiert.

Das im späten Jahr 2021 gestartete JWST ergänzt die Fähigkeiten von Hubble in wichtiger Weise. Durch Beobachtungen in den Infrarot- und Mittelinfrarot-Wellenlängen kann das JWST Objekte erfassen, die für Hubble unsichtbar sind.

"Wir öffnen ein Fenster ins Unbekannte", sagte Muñoz. "Wir können jetzt unsere Theorien über das Universum testen, wo wir es zuvor nicht konnten."

Kurz nach dem Urknall war nicht alles perfekt gleichmäßig. Winzige Variationen in der Dichte hatten einen bedeutenden Einfluss auf die zukünftige Struktur und Entwicklung des Universums. Bereiche mit höherer Dichte zogen aufgrund der Gravitation mehr Materie an, was schließlich zur Bildung immer größerer Strukturen führte.

Um so schnell so groß zu werden, wie es die vom JWST beobachteten ultramassiven Galaxien in der Theorie sind, müssten nach dem Urknall mehr dieser Bereiche mit höherer Dichte entstanden sein. Dies würde eine Änderung des Standard-Kosmologiemodells erfordern.

Muñoz und sein Team haben diese Hypothese getestet.

Sie wählten einen Bereich kosmischer Zeit, für den sowohl JWST- als auch Hubble-Beobachtungen verfügbar sind. Innerhalb dieses Bereichs identifizierten sie die massivsten Galaxien, die in den JWST-Daten verfügbar sind, und berechneten die Veränderung der frühen Dichte des Universums, die nötig wäre, damit sie entstehen können.

Sie berechneten auch, wie viele kleinere Galaxien aus dieser hypothetischen Veränderung resultieren würden. Diese zusätzlichen kleineren Galaxien wären von Hubble beobachtet worden.

"Aber das ist nicht das, was wir sehen", erklärte Muñoz. "Man kann die Kosmologie nicht genug ändern, um dieses Überflussproblem zu erklären, da die Beobachtungen von Hubble ebenfalls betroffen wären."

Also, warum entdeckt das JWST so viele ultramassive Galaxien? Eine Möglichkeit ist, dass sie supermassive Schwarze Löcher enthalten. Diese Schwarzen Löcher würden das nahegelegene Gas erhitzen und die Galaxien heller erscheinen lassen und daher massiver, als sie tatsächlich sind. Oder die Galaxien sind möglicherweise gar nicht im frühen Universum, sondern sie sehen nur so aus, weil Staub ihre Farbe röter erscheinen lässt, als sie sonst wäre. Diese Verschiebung würde dazu führen, dass die Galaxien weiter entfernt zu sein scheinen als sie es tatsächlich sind.

Neben Muñoz sind Nashwan Sabti und Marc Kamionkowski von der Johns-Hopkins-Universität Autoren der Studie.

Journal-Informationen: Physical Review Letters , arXiv

Provided by University of Texas at Austin